高压水力压裂在急倾斜低透气性三软煤层中应用研究

王小朋 蒋精华 周俊杰 许达

摘   要：为提高低透气性，急倾斜低透气性“三软”突出煤层的瓦斯抽采量， 实现抽采消突的目的， 在李子垭南二井实施高压水力压裂技术， 并对水力压裂的应用效果进行了考察。结果表明：实施高压水压预裂后，单孔平均抽采纯量提高了97～115倍，单孔及支管路的抽采浓度分别由40%提高到65%，压裂钻孔抽采半径超过30m，是现有抽放方式的10倍以上，对于解决当前抽放区域存在的盲区具有十分重要的现实意义，可以为提高抽采效果提供有益借鉴。

关键词：高压水力压裂  急倾斜三软突出煤层  低透气性  抽采半径

中图分类号：TD712.62                            文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）08（a）-0044-02

大量资料和数据结果表明，随着开采深度的增加，煤层的透气性系数夜随之减小，地应力和瓦斯压力以及含量随之上涨。钻孔施工越发困难，瓦斯治理难度呈几何系数增加，在很大程度上影响了矿井的正常接替。在这种情况之下，如使用增加钻孔密度、延长抽采时间等常规手段已无法完全达到消突和抽采达标的目的了，特别是李子垭煤矿南二井的急倾斜低透气性三软突出煤层在这一方面反应特别明显。在这种情况之下，只有采取煤层增透措施，增大煤体裂隙密度和范围， 提高煤层透气性， 最终达到提高煤层瓦斯抽采效果的目的。根据国内外试验研究情况， 现阶段主要煤层增透的技术方法有：水力压裂增透、 高压水射流擴孔增透水力割缝增透、深孔控制预裂爆破增透等。

1  矿井概况

李子垭煤矿南二井位于华蓥山煤田中段矿区的南部，构造单元属龙王洞背斜东翼。井田地质较为复杂，煤层位于龙潭组K1煤层中，煤层走向38°、倾向128°、倾角47°-51°平均倾角48.7°，平均厚度为2.24m，厚度变化较大，硬度3～6;基本顶为深灰色石灰岩，厚度22.86m，硬度3～10。直接底为灰黑色泥岩夹粘土岩，遇水易泥化，厚度2.20m，硬度2～4;基本底为灰色细砂岩，透水性较强，厚度3.0m，硬度4～6。

2  水力增透技术原理

水力增透技术是以水作为介质，通过高压水泵产生高压水作用于煤体，使煤体内部原生裂隙张开、延伸并产生新的裂缝，在一定空间内形成相互交织的多裂隙连通网络，从而改善煤层内部瓦斯流动状况，提高瓦斯抽采效果。水力增透技术包括水力压裂增透技术、水力割缝增透技术、高压旋转水射流割缝增透技术。

根据李子垭煤矿南二井的实际情况选取水力压裂作为煤层增透的技术措施。

3  水力压裂实施方案

3.1 力压裂钻孔施工设计

在+405m南底板抽采巷向3202运输巷掘进条带施工水压预裂钻孔，压裂孔开孔间距为60m，钻孔方位为127°，钻孔倾角为30°～49°，钻孔设计终孔位置为3202运输巷巷道轮廓线上方5m处，共设计13个钻孔，设计工程量249.1m。

项目实施时只选取4#至10#钻孔施工和进行高压水压预裂。

3.2 钻孔封孔技术要求

（1）压裂孔施工前，现场标定钻孔位置。（2）钻孔在施工至软岩时，切换为压风排渣，防止软岩遇水发胀塌孔。（3）将钻孔施工至煤层，然后将见煤长度数据记录清楚，并根据收集的数据准备压裂无缝钢管的数量。煤层段必须上有筛孔的无缝钢管，无缝钢管组前端必须使用堵头进行封堵，防止煤矸堵塞无缝钢管。（4）待穿过全煤层后，使用压风对钻孔进行再次清洗，将钻孔内和孔壁遗留的钻渣清洗干净，防止孔内钻渣影响钻孔封孔效果。（5）凡是钻孔深度超过25m的，必须分两次注浆封孔，孔深在超过60m的钻孔，必须分三次注浆封孔，以减少水泥收缩度的影响。（6）钻孔封孔必须全岩段封孔，防止岩层裂隙影响压裂效果。（7）钻孔封孔后，必须留有20d养护时间。

4  水力压裂实施效果

4.1 抽采流量对比

根据抽采参数检测结果显示，实施了水力压裂的钻孔瓦斯抽采浓度和流量均呈上升趋势，呈现稳定的抽采曲线，其单孔控制面积为3600m2，单孔平均流量为0.1943m3/min左右，每平米瓦斯抽放流量略为0.054L/min，浓度在65%左右。而没有实施水力压裂的钻孔单孔抽采标准纯流量为0.0017m3/min～0.0020m3/min。即实施水力压裂后单孔孔流量提高了97～115倍;单孔及支管路的抽采浓度分别由40%提高到65%，由38%提高50%以上;压裂钻孔抽采半径超过30m，是现有抽放方式的10倍以上。

4.2 工程量对比

⑴水压预裂施工的工程量。

①钻孔个数：7个;②钻孔进尺：185.7m;③钻孔控制范围：3202运输巷走向420m，斜长60m，控制面积25200m2，每万平米控制面积钻孔量仅为73.7m，考虑到回采区域核心部位钻孔长度将大幅度增加，预计每万平米控制面积钻孔量为150m左右。

⑵现有方式施工穿层瓦斯抽采钻孔的工程量。

该次施工水压预裂钻孔共计控制3202运输巷掘进条带420m，根据现有的区域防突措施，按4.4×5m（钻场间距×钻孔终孔间距）布置穿层钻孔，该区段需施工约96个钻场，每个钻场11个钻孔，共计1056个钻孔，预计每个钻场约350m进尺，预计总进尺为33600m。

⑶工程量比較。

高压水力预裂方式每万平米控制面积钻孔量为150m左右，现有抽采方式每万平方米需要布置钻孔量为14643m，两者比较为1：98。

4.3 施工工期对比

控制走向420m，斜长60m，面积25200m2水力压裂工期1.6个月;相同面积情况下现有抽放方式钻孔施工工期为单台9.3个月，两台4.7个月，两者的工期对比为1∶5.8，前者单台，后者两台钻机期对比为1∶2.9。

4.4 施工费用对比

本次高压水压预裂控制面积25200m2，材料费用为50198元，人工费用约为80000元，高压水力装备折旧费用51507元，共计181705元，每万平方米控制面积费用为7.21万元;如按现有方式施工穿层钻孔，控制面积18900m2，其每米穿层钻孔所需费用约为52元（含人工费用），即施工该区段需费用约1747200元，每万平方米其费用92.44万元，两者费用对比为1∶12.82，每万平方米控制面积可节约85.23万元，吨煤治灾（仅指钻孔施工与封孔等工程费用）费用将由原来的28元下降至2.18元。

5  结语

⑴通过实施高压水压预裂，穿层单孔平均抽采纯量由0.0017～0.002m3/min提高到0.1943m3/min，提高了97～115倍;单孔及支管路的抽采浓度分别由40%提高到65%，由38%提高到50%以上;压裂钻孔抽采半径超过30m，是现有抽放方式的10倍以上，对于解决当前抽放区域存在的盲区具有十分重要的现实意义。

⑵通过高压水力预裂，穿层钻孔工程量大幅度减少，钻孔工程施工与封孔等费用由吨煤28元下降至2.18元。

⑶回采工作面抽放时间的成倍增长，使回采区域的安全保障度进一步得到提高。

参考文献

[1] 原育锋，李翔.石门揭煤工作面水力压裂瓦斯增透抽放工艺[J].建井技术，2018，39（4）：25-27，14.

[2] 宋宏磊. 顾桥矿底抽巷条带预抽水力压裂强化增透技术研究[D].安徽理工大学，2018.

[3] 张龙.水力压裂法在黄玉川煤矿11403综采工作面初采顶板管理中的应用[J].内蒙古煤炭经济，2017（20）：110-112.